车载高精度里程计辅助捷联惯性组合导航系统设计与实验

高福隆， 石 然， 刘 洋， 幸 伟， 张铭涛

(1.上海航天控制技术研究所，上海201109；2.上海惯性工程技术研究中心，上海201109)

0 引言

近年来,捷联惯性导航系统(SINS)在军事与民用领域中的应用越来越广泛,但其所面临的应用环境也越来越复杂,对其的精度要求也越来越高[1-2]。传统的高精度捷联导航技术成本高,并且在复杂的工作环境下(如煤矿)难以实现(对采煤车)精确的导航定位[3]。任何单一的导航系统或简单组合的导航系统都难以在提供高精度导航信息的同时具备高度的可靠性、自主性和抗干扰性[4-5]。本文提出了利用里程计(OD)辅助捷联惯性导航的组合导航技术。SINS技术和OD技术各有优缺点,因此可以将二者有机结合起来,以提高导航系统的整体性能[6-7]。同时,为了保证组合导航系统的实时性,本文还将FPGA、DSP进行了组合使用,这样可以克服FPGA在处理数据时数度不足与DSP在单独工作时时序性不强的缺点,使二者相互取长补短[8-9]。

1 组合导航系统的硬件设计

组合捷联惯导系统的硬件设计结构示意图如图1所示。硬件平台按其功能划分为5个模块,分别为IMU接收模块、硬件滤波 AD采集模块、FPGA和DSP解算模块、电源模块和RS422发送数据模块。

为保障系统的实时性,组合导航系统解算模块的核心器件DSP选用了TI公司推出的高速浮点芯片TMS320C6713。同时,为满足多个数据接口的数据传输需要,FPGA采用了Actel公司的现场可编程门阵列A3P1000-144FBGA。平台通过模块化的VHDL语言设计,实现了软件通用化,方便了后续的设计[10]。

DSP芯片负责接收FPGA打包完成的数据,完成复杂的数学运算,包括误差补偿、初始对准和导航运算等。FPGA芯片负责完成所有外围接口(包括陀螺、加速度计等)的高速采样及收集I/O接口采集的指令信息,将采集数据送至DSP芯片进行处理[11]。在设计上,FPGA的内部RAM将作为FPGA与DSP通信的中转站,以提高系统的实时性和芯片的利用率[12]。

导航系统与上位机之间以Rs422串口形式进行数据交互,完成串行通信(包括初始化参数的装载、导航功能的选择和导航功能的输出),数据流程图如图2所示。

2 SINS/OD组合滤波器设计

2.1 SINS误差状态方程

位置误差、速度误差、姿态误差角、加速度计零偏和陀螺漂移构成了SINS误差状态向量,如式(1)所示。

SINS误差模型为:

式中,α、β、γ为姿态误差角,A＝[AxAyAz]T表示加速度计输出。

SINS的误差状态方程表达式为:

式中,WI为系统噪声,其分配矩阵为GI。

2.2 OD输出模型

将里程计测量坐标系定义为m系,其原点为被测车轮与地面的接触点OP,坐标系OP－xmymzm沿车体右前上构成右手系,仅考虑标度因数误差δKD和测量噪声,里程计输出模型为[13]:

进一步考虑光纤惯组与里程计之间的安装杆臂误差Lb,以及两者之间的安装误差角α＝[αθαγαψ]T。根据车辆运动学约束,即侧向(x)和法向(z)速度为0,则横滚安装角αγ不对速度vb产生影响,故里程计的输出速度为:

2.3 SINS/OD组合导航模型

光纤惯导和里程计都是车载自主导航的首选,由于里程计的测速误差没有随时间累积的趋势,将其与光纤惯导组合进行航位推算,可以减缓惯导误差的累积趋势。组合导航模型如图3所示。

考虑里程计输出模型及SINS误差状态,则SINS/OD组合导航的状态向量如下[15]:

状态方程为:

状态转移矩阵为:

构造量测方程如下[14]:

改写为矩阵形式,为:

SINS/OD车载组合导航采用Kalman滤波,滤波计算流程如图4所示。

3 导航系统实验

3.1 实验验证

实验样机由高精度光纤捷联惯组、里程计、差分北斗卫星定位系统(定位精度＜40mm)、数据采集电路和工控机组成。差分北斗卫星定位系统用于对惯组跑车定位精度进行精确验证比对。行驶路线和速度的设定以采煤机等特殊车种为参考依据。

在实验前,静止5min,进行惯导自对准,所使用的设备如图5所示。随后,载体车辆沿图6所示的轨迹行驶,行驶时间超过60min。在实验过程中,记录各传感器的原始采样数据,供后续处理和数据分析。

以差分北斗卫星定位系统为基准,给出组合导航系统定位信息与北斗卫星定位信息在经度及纬度方向上的偏差情况,如图7和图8所示,具体数据如表1所示。

表1 结果统计Table 1 Results statistics

3.2 实验结果分析

从跑车实验结果可以看出,导航系统在速度缓慢、行驶轨迹单一、无GNSS信号且需要长时间导航的条件下,实现了总里程为323m、偏差为1.7m(即相对误差为0.526%)、东向/北向偏差分别为1.68m/0.3m的高精度导航。误差产生的主要原因为里程计坐标与载体坐标不完全一致,以及里程计自身的累计误差(相对前者为极小量)。后续,将加入里程计的坐标标定方法,来修正里程计与惯导的安装偏角,预计修正后的仿真位移误差可控制在±0.1%以内,与惯导系统进行组合导航,完全可以满足精确定位、定向的要求。考虑到GNSS和里程计的使用环境要求,可将两种算法组合使用,实时切换,在接收不到GNSS信号的环境中,依然可确保组合导航系统的精度和可靠性。

4 结论

本文设计了适用于特殊工作条件下的捷联惯导组合导航系统,通过由里程计辅助的组合导航算法的设计仿真及实验对比分析,得出以下结论:

1)惯导系统采用FPGA作为外围数据接口、采用DSP进行数据处理的通信模式,依靠FPGA自身的RAM作为中转数据的存储站,具有采集速度快、运算能力强、响应指令迅速的特点。可实时给出惯导位置、姿态信息,保证了惯导系统的实时性及可靠性。

2)采用由里程计辅助SINS的组合导航算法使惯导系统实现了自主导航,系统在获取了初始位置信息后能够不依赖GNSS信号而完成长时间(＞1h)、长距离(300m)的高精度导航,满足了精确定位、定向的使用要求。

3)基于OD辅助设计的组合导航系统在跑车的初始状态,特别是在GNSS信号易受到外界影响的条件下,具有更高的精度和稳定性。